中核这十年丨“小”微堆 “大”力量

发布时间:2022-09-26 信息来源:

  2016年,习近平主席在第四届核安全峰会上正式提出“加纳模式”,并庄严承诺中国将协助加纳完成加纳微堆低浓化改造工作。

  三十多年前,可能很多人不曾想到,小小的微堆(微型中子源反应堆)会成为我国反应堆“走出去”的起点。20世纪八九十年代,从微堆研制、开发到商业推广应用,原子能院人经历了一段从艰苦创业到创造辉煌的历程,在国内外先后设计建成9座微堆,为国家创造了巨大的经济效益。近十年来,作为我国和平利用原子能的窗口,微堆低浓化改造项目又在国际舞台上大放异彩。

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  我国第一座微型中子源反应堆

  攻坚迎挑战

  助力全球核安全

  “在过去,微堆都是使用高浓铀作为燃料,而燃料棒一旦流失,就可能造成核材料扩散。”中核集团原子能院反应堆工程技术研究所微堆低浓化项目负责人李义国表示。国际原子能机构(IAEA)曾多次提出,希望对微堆燃料实施低浓铀转化,并建议首先在原子能院微堆上进行高浓铀的低浓化转换实验。

  微堆低浓化,是指在不改变堆芯尺寸的情况下,用低浓铀燃料替代高浓铀燃料,转化后仍利用原有筒体装料运行。改造后的微堆可以满足原微堆的所有功能,同时固有安全性能更好,燃料使用寿命更长。而这些对于物理设计、燃料组件设计制造、装卸料、实验调试等诸多环节,都提出了更高的要求。

  从2006年开始,微堆研究室团队就多次参加IAEA组织的微型反应堆低浓化会议,对微堆低浓化的可行性进行计算和分析,并组织对我国第一座微堆——原型微堆开展低浓铀堆芯的物理设计、结构设计等工作。

  由于低浓铀堆芯的燃料芯体和包壳材料与之前不同,其热工、物理性能等均有较大变化,需要重新进行物理、热工和结构设计。同时,因为只能受限于原有堆芯空间作出合理调整,这大大增加了设计难度。

  通过反复的理论计算和力学分析,研究团队最终的低浓铀堆芯设计做到了“两全其美”,能够同时满足物理和结构设计要求。

  然而,从设计成功到付诸实践,仍有很长一段路要走。低浓铀燃料作为微堆的核心部件,其加工制造是实现微堆低浓化的关键环节。原子能院研究团队调研了国内多家反应堆燃料生产厂家,仅有一家可实现供货,而有限的加工工艺水平也对堆芯设计提出了新的挑战。经过团队的反复论证和修改,低浓铀的设计方案终于得以出炉。

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  团结创合力

  勇挑大梁担重任

  一个优秀的团队会产生无尽的凝聚力,即便遇到再大的困难,也能团结一心、全力攻克。低浓铀燃料加工制造完成后,团队成员马不停蹄地进入到安装调试阶段。

  值班长是微堆零功率实验的核心人物,全面负责整个实验,需要在出现突发状况时做出正确判断,由于每班次的实验要求都不相同,因此他们需要始终保持注意力高度集中;物理员负责实验数据的监测和记录,还需完成堆芯的物理操作,他们用手在冷水中反复拿取小尺寸的燃料元件,长期浸泡加上操作后的频繁清洗,几乎每个人的手上都裂开了一道道口子,他们仍然像“绣花”一般谨慎细致地操作;实验布置和部件装配人员,受限于实验堆坑尺寸的狭小拥挤,需要趴在筒体上才能探身用手将结构部件调整合适……

  在夜以继日的工作节奏下,加班早已是家常便饭,高强度的工作对每个人的体力和脑力都是很大的考验,但大家都全心全意投入其中,从实验、维修、应急等各方面做好准备,确保装置的正常运行和实验的顺利开展。最终,低浓铀堆芯的零功率实验圆满完成,为实施原型微堆低浓化改造奠定了基础。

  由于高浓铀乏燃料具有很强的放射性,并且只能经由堆筒体顶部卸出,相应的装卸料技术在国际上没有参照。同时,低浓化改造也对反应堆实验技术提出了新的要求。面对这一系列难题,研究团队凭借在微堆设计、建造、运行与实验等方面长期积累的技术经验,研发了一整套低浓化转化技术,并成功应用于原型微堆低浓化改造。

  2016年3月,原型微堆低浓化改造顺利完成,填补了我国在该领域的技术空白,也为国内外微堆低浓化改造提供了重要依据,积累了测量和试验数据。在原型微堆低浓化改造成功实施后,其他微堆用户的低浓化改造工作也有序展开。

  合作寻共赢

  践行大国庄严承诺

  微堆低浓化工作不单是在科学的世界里探求真谛,还需在多方合作的进程中寻求共赢,用科学的态度攻克一个个技术难关,以协同的方式获得一次次非凡成就。

  加纳微堆是原子能院1995年设计建成的一座高浓铀微堆,其低浓化改造受到中国政府和国际社会的高度重视。在国际原子能机构协调下,2014年,加纳、中国和美国共同推进加纳微堆低浓化改造项目,中国负责提供低浓铀燃料、承担零功率实验和现场技术支持等工作。

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  原子能院技术人员在加纳现场进行装料操作

  2017年当地时间8月10日上午12:27,加纳微堆成功实现满功率运行;8月29日,载有我国首座海外商用微堆高浓铀燃料的专机缓缓降落于河北石家庄正定国际机场。22年前离开原子能院前往加纳的高浓铀燃料完成它的历史使命,终于“回家”了。

  至此,加纳微堆低浓化改造项目圆满收官。中国践行了在核安全峰会上的庄严承诺,为国际防止核扩散作出重要贡献,彰显了中国能力和中国责任。该工作所创造的“加纳模式”为国外其它微堆低浓化改造提供了有力的技术支撑和宝贵经验。

  2018年12月,“加纳模式”再续新篇——尼日利亚微堆低浓化改造项目圆满完成,为减少并最终消除民用高浓铀燃料贡献了中国力量,也为两国开展反应堆物理研究和培养专业人才创造了有利条件。如今,微堆低浓化的成功实施已为微堆在国际市场上的推广打开新局面,多个国家对低浓铀微堆表达了合作意向,国际市场前景广阔。

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  尼日利亚高浓铀微堆材料返还中国

  “小”微堆,“大”力量,未来原子能院研究团队将协同一心、再接再厉,为我国核工业发展作出新的贡献,为国际微堆低浓化和世界和平利用核能提供技术支持。(原子能院)